王瑶瑶，陈桂波，卢俊

（长春理工大学　理学院，长春　130022）

一种高增益多频带微带贴片单元的设计

王瑶瑶，陈桂波，卢俊

（长春理工大学理学院，长春130022）

设计了一种由圆、正八边形、矩形组合构成的微带贴片天线，其使用同轴线馈电。采用有限元法对所设计天线的电特性进行了仿真研究。同时也对天线在不同尺寸参数下的性能指标进行了对比分析。结果表明，天线兼具高增益和多频带的特性，在2.25～2.33GHz、3.51～3.7GHz、4.34～4.6GHz频带内，带内回波损耗全部小于-10dB，天线最高增益达到7.37dB，且天线的E面和H面辐射波束较好，半功率波束宽度约是60°；仿真结果证实了所设计的天线具有良好的性能指标。

多频带；高增益；贴片

微带贴片天线由于体积小，重量轻，作为全向共形天线应用于火箭和导弹上［1］，现代卫星通讯系统优点有数据传输快、覆盖范围广［2］，因此航空航天飞速发展，对天线的要求也越来越高，天线有时需要工作在多个频段［3］，微带贴片天线可工作在100MHz～100GHz无线电通信设备中，如：遥感、移动和个人通信等［4］。但是微带天线有频带窄，阵列损耗大、增益低等缺点，微带天线的两个重要性能指标：增益、带宽［5］。

如何实现宽频带、高增益、低旁瓣天线是微带贴片天线研究的热点。郭蓉等［6］通过在接地板上开槽的方式，设计了超宽带贴片天线，增益约为4.4dB，但是波束宽度大于180°；文献［7］中增益是3.5dB，文献［8］中增益是3.0dB。

微带天线的辐射理论本质上是高频的电磁泄漏，如果一个微波电路不被导体完全封闭，电路中的不连续处就会产生电磁辐射，如：微带电路的开路端、结构尺寸的突变、折弯等不连续处也会产生电磁辐射［9］。因此，为了使贴片天线具有多频带的同时具有高增益特性，本文设计了一种由圆环、正八边形、矩形组合而成的新结构天线，所设计的贴片天线通过增大天线的开路端，使天线辐射增强，提高增益，仿真表明，该天线同时具有7.37dB的增益，低旁瓣和三个频带的工作特性，且方向性增强。

1　天线的设计与分析

本文采用相对介电常数εr=3.38，厚度h=5mm的介质板；天线工作的中心频率 f0；矩形贴片的宽度W和长度L，有

参考地面的长度和宽度［10］

图1　天线结构图

通过在接地板上设计类圆环结构，同时改变矩形贴片1和2的尺寸得到较好的仿真结果。

1.1参数变化对回波损耗的影响

采用有限元法对所设计的天线进行仿真研究，比较类圆环尺寸变化时对回波损耗S11的影响。类圆环如图1所示，是由圆和、正八边形、矩形组成。图2（a）是当圆半径r分别是2.5、3、4.5mm时的回波损耗曲线图；图2（b）是当正八边形半径R分别取3.1、5、10.5mm时的回波损耗曲线图；图2（c）是比较贴片1和4在不同参数下的回波损耗曲线图。

如图2（a）所示，随着圆尺寸的增加，最低频带带宽和谐振深度变化细微；但是高频带宽逐渐增大，且谐振深度逐渐增加，如：最深谐振深度从-13dB降低到-23dB。由此可见，圆的尺寸主要影响高频带的谐振深度和带宽。

如图2（b）所示，随着正八变形尺寸的增加，低频带宽逐渐减小，谐振深度变小，如：当R=3.1mm时，在2.27～2.39GHz内，S11＜-10dB，当R=10.5 mm时，在此频段内，带宽是0；高频部分谐振深度增加，带宽宽度先增后减，在R=5mm时最大，但是谐振深度从-9dB降低到-26dB；因此正八变形对整体带宽和高频带谐振深度的影响较大。

如图2（c）所示，贴片1和2对于带宽的影响比较大。当贴片1尺寸dx=0.2mm时，此时工作带宽约为3.7～3.85GHz；当贴片1尺寸增大到dx=4mm时，天线呈现三频带工作特性，大致在2.28～2.32GHz，3.37～3.42GHz，3.78～3.83GHz；而贴片2的接入使得带宽大大增加，仿真结果表明，贴片2的宽度在dy=3mm时得到最好的带宽效果，在2.25～2.33GHz，3.51～3.7GHz，4.34～4.6GHz频带内，S11＜-10dB。

1.2参数变化对天线增益的影响

图2　结构参数

图3（a）-（c）分别是当圆半径r分别是2.5、3、4.5mm时，三维增益方向图。

图3　圆半径r从2.5mm增大到4.5mm时三维增益方向图

图4　正八边形半径R从3.1mm增大到10.5mm时三维增益方向图

从图3中看出，圆半径r从2.5mm增大到4.5mm时，增益均在7.3dB～7.4dB之间，变化细微，所以圆的尺寸对增益影响不大。因此，综合图2（a），图3可得，当r时3mm时，增益和带宽效果最好。

图4（a）-（c）是正八面体半径R分别取3.1、5、10.5mm时，三维增益方向图。

如图4所示，正八边形半径R从3.1mm增大到10.5mm时，增益快速减小，从7.38dB降低到6.82dB。综合比较图2（b）、4的带宽与增益图，当正八边形半径R=5mm时，辐射效果最好。

2　天线仿真结果

综合以上仿真分析结果，给出天线的总体尺寸，如图1所示。贴片长和宽分别是L=31.0mm，W=41.4mm，圆半径r=3mm，正八面体半径R=5 mm，贴片1宽度dx=4mm，贴片2宽度dy=3 mm。经仿真给出了天线的S11（图5）、增益（图6）、H面和E面波束（图7）与场强（图8）方向图。

图6　天线三维增益方向图

图7　H面和E面波束形状图

如图7（a）和（b）所示，H面和E面半功率波束宽度约是60°，所设计的天线方向性增强了。

图8　H面和E面场强分布方向图

如图8（a）和（b）所示，H面和E面场强分布方向图，从此图可以看出主瓣和旁瓣的大小强弱。E面是通过最大辐射方向，并与电场矢量平行的面；H面是通过最大辐射方向，并与磁场矢量平行的面［11］。

3　结论

本文设计了一种新结构贴片，使用同轴线馈电方式［12］，通过改变类圆环结构参数达到了提高增益的目的；同时通过改变连接贴片的宽度实现多频带工作特性。仿真结果表明，天线方向性较强，约有7.37dB的增益，在2.25～2.33GHz，3.51～3.7GHz，4.34～4.6GHz频带内，S11＜-10dB。具有较好的辐射特性，研究结果可为无线通讯天线的设计提供借鉴。

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Design of a High Gain and Multiple Band Microstrip Patch

WANG Yaoyao，CHEN Guibo，LU Jun
（School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

This paper designs a microstrip patch antenna，which composed of round，octagon，rectangular and using coaxial feed；The finite element method is using in the antenna simulation research on the electrical characteristics.This paper also analyzed the performance of the antenna under the different size parameters.The results show that the antenna with the characteristics of high gain and multiband in 2.25～2.33GHz，3.51～3.7GHz，4.34～4.6GHz frequency band that return loss is less than-10dB；The highest gain of antenna is up to 7.37 dB；The E plane and H plane antenna radiation beam are better and half-power beamwidth is about60°；The simulation results confirmed the design of the antenna with good performance.

multiple band；high gain；patch

TN820.1

A

1672-9870（2015）05-0123-04

2015-08-28

国家自然科学基金（41004042）；教育部博士点基金（20092216120005）

王瑶瑶（1992-），女，硕士研究生，E-mail：747416090@qq.com

卢俊（1968-），男，博士，教授，E-mail：junlucc@126.com